濾波電容器在交/直流電轉換中具有平滑整流信號中紋波的作用，對高端電力電子設備的穩(wěn)定運行頗為重要。鋁電解電容器（AECs）占據(jù)了這一領域的大部分市場。AECs容量小、體積大，通常是電路中最大的元件之一，但制約了電子器件的小型化發(fā)展。雙電層超級電容器（EDLCs）的比電容比商用鋁電解電容器AECs高幾個數(shù)量級。如果能夠將EDLCs用于濾波，有望滿足電子設備小型化發(fā)展的需求。然而，傳統(tǒng)的雙電層超級電容器EDLCs因多孔碳基電極中的彎曲、復雜孔結構而具有高的容量，但響應頻率一般低于1Hz，不能對市電濾波以供電子設備使用。?

為了提高雙電層超級電容器的頻率響應性能，科學家探究了以具有垂直取向大孔結構的多種碳基納米材料為電極構建的濾波雙電層電容器，但發(fā)現(xiàn)器件在市電頻率下的面積和體積比電容均較低，對市電濾波后的紋波仍較大，不能給電子器件提供平滑穩(wěn)定的電源。因此，研發(fā)既具有高取向性、快速響應頻率，又具有大比表面積、高容量的電極，對小型化濾波超級電容器至關重要。?

該團隊以前期創(chuàng)制的三維互連多孔陽極氧化鋁為模板，在模板孔的限域誘導下交替進行化學氣相沉積碳層和原子層沉積AlO_x犧牲層，選擇性腐蝕氧化鋁模板和犧牲層AlO_x后，構筑了同軸結構的兩層和三層碳管互連組成的三維框架。分析表明：在這種同軸多殼層三維互連碳管網(wǎng)格膜中，所有碳管類似于“俄羅斯套娃”結構，且其內層碳管均勻地填充在同軸外層碳管的內部；這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜不僅具有更大的表面積存儲電荷，而且其中的垂直碳管之間具有高度取向的大孔結構，利于電解液離子快速傳輸。?

該研究以這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜為電極，構筑了對稱型雙電層電容器。研究顯示，三層套娃碳管電極構建的器件，在頻率120 Hz下表現(xiàn)出-80.1°的阻抗相位角和0.25毫秒的較短電阻-電容時間常數(shù)。這表明該電極類似有序光滑的離子快速輸運通道，促進了離子的快速分布。器件的面積比電容達到3.08 mF cm^-2，比商用AECs的高2個數(shù)量級，也高于迄今為止報道的三明治構型的水系濾波超級電容器。此外，研究還發(fā)現(xiàn)器件的損耗因子低、儲能效率高。?

為了驗證器件的交流濾波功能，該工作對標10伏商用鋁電解電容器，將十組相同的新型器件串聯(lián)，以擴展器件濾波的工作電壓。研究發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)后的器件組仍具有優(yōu)異的頻率響應性能，進而搭建了濾波電路，以驗證串聯(lián)器件組對交流線路的濾波性能；60 Hz交流市電信號經(jīng)過整流和器件組濾波后，可輸出穩(wěn)定平滑的恒定直流信號為直流電器供電；器件能夠將各種不同類型的輸入信號（如方波、三角波和任意波形等）濾波為平滑的輸出電信號。進而，為了直觀地展示器件的濾波功能，科研人員進行了演示實驗，利用器件組對納米發(fā)電機發(fā)出的脈沖電壓濾波后點亮發(fā)光二極管。研究發(fā)現(xiàn)，未接通濾波電容器前，發(fā)光二極管一直在不斷閃爍；而接通濾波電容器后，發(fā)光二極管發(fā)出穩(wěn)定的光，說明器件組具有較好的平滑脈沖電壓的功能。?

綜上所述，基于套娃碳管三維互連網(wǎng)格膜電極的超級電容器，具有高的比電容、低的等效串聯(lián)電阻和快速的頻率響應性能，為研發(fā)兼具高容量和快速頻率響應性能的下一代小型化濾波電容器開辟了新途徑。?

研究工作得到國家自然科學基金和合肥研究院院長基金等的支持。

論文鏈接

類似“俄羅斯套娃”結構的同軸多殼層碳管三維互連框架的制備流程